Презентация "Сорбционные процессы" по физике – проект, доклад

Кафедра ВЭПТ

«Основы физики поверхности и тонких пленок»

Лекция 4

Тема: Сорбционные процессы (4 часа) - Реальная поверхность твёрдого тела и её взаимодействие с газовыми средами. Адсорбция и десорбция. - Поверхностные фазы в субмонослойных системах адсорбат/подложка. - Состав поверхностных фаз. Покрытие адсорбата. Покрытие атомов подложки - Фазовая диаграмма.

http://mdl.lcg.tpu.ru

Рис.1. Зависимость энергии притяжения Eпр и отталкивания Eот, а также полной потенциальной энергии E падающих атомов (сплошная линия) от расстояния до поверхности. Здесь Ем – энергия адсорбции, r0 – расстояние минимума полной потенциальной энергии.

E(r) = Eпр(r) + Eот(r)

Среднее время жизни адатома может быть описано выражением:

где ν0 – частота тепловых колебаний адатома в узле кристаллической решетки (ν0 = 1012… 1014 Гц), ΔΕm - энергия адсорбции.

Рис.2. Потенциальный рельеф поверхности (сплошная линия) и возможные положения адатомов. Еп – уровень энергии атомов на поверхности; ΔЕg = Еg - Еп – энергия активации диффузии адатома на поверхности; ΔЕм – энергия адсорбции; Ем – уровень энергии в вакууме; а – расстояние между атомами на поверхности.

Концентрация адатомов при осаждении пропорциональна скорости осаждения (плотности потока атомов на поверхности) R:

Рис. 3. Один из простейших вариантов графика потенциальной энергии для случая хемосорбции на плоской поверхности. Заметим, что в случае хемосорбции энергия десорбции Ed больше, чем энергия адсорбции Еа. Потенциальные ямы содержат дискретные уровни энергии, которые соответствуют разрешенным состояниям адатома.

Поверхностные фазы в субмонослойных системах адсорбат/подложка

В зависимости от силы взаимодействия между адсорбатом и подложкой адсорбция подразделяется на - физосорбцию (слабое взаимодействие); - хемосорбцию (сильное взаимодействие). В качестве граничного значения принята энергия связи между адсорбатом и подложкой около 0,5 эВ на молекулу (или атом) (1эВ/молекула = 23,060 ккал/моль = 96,485 кДж /моль).

Рис. 4. Схематическая иллюстрация поверхностных фаз разного состава, а - поверхностные фазы, имеющие одинаковое покрытие атомов подложки (1,0 МС), но различные покрытия атомов адсорбата (1,0, 0,5 и 0,25 МС); б — поверхностные фазы с одинаковым покрытием атомов адсорбата (0,5 МС), но с различным покрытием атомов подложки (1,0, 0,5 и 0,25 МС). Атомы адсорбата показаны серыми кружками, атомы подложки белыми кружками.

Состав поверхностных фаз

Таблица 1. Покрытие адсорбата для некоторых поверхностных фаз со структурой

Система обозначений Вуда:

Х(hkl)с(N×L)Rφ°-А

Рис.. Структура поверхностной центрированной прямоугольной решетки Ni(110)c(2x2)-О, образуемой атомами кислорода, адсорбированными на поверхности никеля Ni(110). Здесь as и bs — основные векторы поверхностной решетки Ni; as’ = 2as и b's = 2bs - основные векторы поверхностной решетки, образуемой адатомами кислорода.

Подложка

Центрированная ячейка

Отношения параметров поверхностной ячейки и ячейки подложки

Адсорбированный слой

Li / W (211) (1×7)

рис. 5

Таблица 2. Покрытия атомов адсорбата и подложки для некоторых поверхностных фаз

Закономерности формирования комбинации «адсорбированный слой — подложка»:

Они стремятся образовать поверхностную структуру с наиболее плотной упаковкой атомов. Т. е. они растут так, что образуется наименьшая элементарная ячейка, допустимая размерами каждого адатома, а также взаимодействиями адатом-адатом и адатом-подложка. Они склонны образовывать упорядоченные структуры с той же вращательной симметрией, какой обладает и подложка. 3. Они имеют тенденцию образовывать упорядоченные структуры, размеры элементарной ячейки которых довольно просто связаны с размером элементарной ячейки подложки. Так, обычно наблю­дается структура (1 х 1), (2 х 2), с(2 х 2) или (3 х 3)-R30°.

Рис. 6. Два возможных варианта структуры поверхности Ni(100)c(2 х 2)-О. Атомы (или ионы) кислорода — пустые кружки, атомы (или ионы) никеля — заштрихованные кружки. (а) Поверхность реконструирована. (б) Классический адсорбированный слой без какой-либо реконструкции.

Рис. 7. a — СТМ изображение пар «ямка-островок» доменов поверхностной фазы Si(lll)v/3xv/3-Ag, формирующихся на поверхности Si(111)7x7. «Ямки» фазы v^xy^-Ag выглядят как темные области, «островки» V^xy^-Ag как светлые области. б - Схематическая диаграмма структуры пары «ямка-островок». Атомы Ag показаны серыми кружками, атомы Si белыми кружками. в - Схематическая диаграмма, иллюстрирующая массоперенос Si при формировании пары «ямка-островок»

Рис. 8. а - Крупномасштабное СТМ изображение поверхности Si(lll)v/3xv/3-Ag, представляющую собой двухуровневую систему с разностью высот в один двойной слой Si(111). Более яркие участки соответствуют Ag верхнего уровня (и-л/З), а темные области соответствуют нижнего уровня (l-л/З). б - СТМ изображение высокого разрешения, показывающее, что на верхнем и нижнем уровнях наблюдается одна и та же структура v^xy^-Ag

Рис. 9. Схематическая фазовая диаграмма. Различные траектории соответствуют: А - осаждению адсорбата при фиксированной температуре; В' и В - изохронному отжигу адсорбата, осажденного при пониженных температурах, (с и без десорбции адсорбата, соответственно); С - изотермической десорбции адсорбата

Фазовая диаграмма

Рис. 10. Схематическая иллюстрация траектории А на рис. 6, показанная более детально. Стехиометрические покрытия адсорбата для Фазы 2 и Фазы 3 помечены как Θ2 и Θ3, соответственно. При увеличении покрытия адсорбата от Θ2 до Θ3 доля поверхности, занятой Фазой 2, уменьшается, а занятая Фазой 3 соответственно увеличивается. Граница на фазовой диаграмме соответствует покрытию адсорбата, когда обе фазы занимают примерно равные доли площади (то есть примерно по 50 %)

Рис. 11. СТМ изображение, показывающее сосуществование двух фаз: Si(lll)v/3xv/3-In (видна как однородно серая поверхность) и Si(lll)v/3Txv/3l-In (видна как яркие и темные области, соответствующие «ямкам» и «островкам»).

Рис. 12. а - Фазовая диаграмма для молекул Н2, физосорбированных на поверхности (0001) графита. б - Модель соразмерной фазы

Рис. 13. а - Фазовая диаграмма для атомов Н, хемосорбированных на поверхности Fe(110). б - Схематическая диаграмма, иллюстрирующая структурные модели формирующихся фаз

Рис. 14. Фазовая диаграмма системы In/Si(111) и СТМ изображения высокого разрешения поверхностных фаз In/Si(111). Элементарные ячейки обведены на СТМ изображениях сплошной линией.

Рис. 15. Картины атомной релаксации, возникающей вокруг атома, растворенного (а) в объеме и (б) на поверхности матрицы растворяющих атомов.